SiC模塊封裝技術(shù)解析

昨天比較詳細(xì)的描寫了半導(dǎo)體材料中襯板和基板的選擇，里面提到了功率器件在新能源汽車中的應(yīng)用，那么功率器件的襯板和基板的選擇也是在半導(dǎo)體的工藝中比較重要的部分，而對于模塊來說，梵易之前對IGBT模塊有比較多的闡述，比如IGBT模塊可靠性設(shè)計(jì)與評估，功率器件IGBT模塊封裝工藝技術(shù)以及IGBT封裝技術(shù)探秘都比較詳細(xì)的闡述了功率模塊IGBT模塊從設(shè)計(jì)到制備的過程，那今天講解最近比較火的SiC模塊封裝給大家進(jìn)行學(xué)習(xí)。

SiC近年來在光伏，工業(yè)電源，汽車等領(lǐng)域逐步滲透，并快速發(fā)展。當(dāng)面對大功率需求的時(shí)候，多芯片并聯(lián)的功率模塊設(shè)計(jì)開始遇到問題，傳統(tǒng)的基于Si基的模塊設(shè)計(jì)很多時(shí)候并不完全適用于SiC模塊的設(shè)計(jì)。那么SiC模塊封裝該如何更好的適應(yīng)應(yīng)用需求呢？

封裝是芯片到應(yīng)用的重要一環(huán)，在大功率的電力電子應(yīng)用中，多芯片并聯(lián)封裝到一起是滿足更高功率的重要手段。當(dāng)面對上百千瓦甚至兆瓦級別的功率開關(guān)的時(shí)候，TO-247這種封裝就不太適用了。那么我們就有了各種各樣的封裝形式。以應(yīng)對不同的應(yīng)用需求，來滿足成本，性能指標(biāo)。

下面的圖片列舉了目前常用的封裝，各種封裝都有特別適用的應(yīng)用場景，比如PCBA集成的適合于Easy,Flow,Econo等封裝。汽車級的應(yīng)用，直接水冷往往是最優(yōu)的選項(xiàng)。壓接式的模塊則是應(yīng)于MMC拓?fù)涞碾娋W(wǎng)應(yīng)用。

當(dāng)更大功率的應(yīng)用需要到功率半導(dǎo)體的時(shí)候，我們從芯片級別并聯(lián)成為一個(gè)最優(yōu)的選項(xiàng)，應(yīng)對復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或者組合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的時(shí)候，更大的DBC面積以及針腳的出線端子才能滿足要求，對于高功率密度的要求，直接水冷或者雙面水冷是做好的選項(xiàng)。

Easy, EconoPIM, Flow, MiniSKiip 等封裝采用針腳出線形式，能很好的滿足諸如NPC, Braker, APF, 整流等復(fù)雜拓?fù)浠蛘呓Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用；

PrimePACK, IHV等封裝則是在芯片并聯(lián)的基礎(chǔ)上又通過內(nèi)置母排并聯(lián)了多個(gè)DBC以實(shí)現(xiàn)更高的功率。XHP封裝其實(shí)也是類似上述的大功率模塊，差異在于減少了DBC并聯(lián)，同時(shí)優(yōu)化外部結(jié)構(gòu)利于外部模塊級別并聯(lián)以滿足應(yīng)用端更加靈活的設(shè)計(jì)需求。

HybridPACK,DCM1000, M653等模塊則是典型的汽車級模塊，采用少量芯片并聯(lián)，直接水冷方式以提供功率密度，DCM1000的半橋結(jié)構(gòu)則是為了提供更加靈活的應(yīng)用設(shè)計(jì)，Molding的封裝形式以及三直流端子的母線設(shè)計(jì)也可以很好的兼容SiC模塊的設(shè)計(jì)。

后面的Hybrid DSC 封裝也包括其他類似的雙面冷卻模塊的設(shè)計(jì)，雖然外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，但是可以給應(yīng)用端提供靈活緊湊的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)高功率密度。

梵易覺的，我們可以以SiC模塊為例，當(dāng)傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)用于寬禁帶半導(dǎo)體材料功率模塊封裝時(shí)，會帶來以下問題：

一是引線鍵合和復(fù)雜的內(nèi)部互連結(jié)構(gòu)帶來較大的寄生電容和寄生電感。SiC功率芯片的開關(guān)速度可以更快，因而電壓和電流隨時(shí)間的變化率（dv/dt和di/dt）就更大，這會對驅(qū)動電壓的波形帶來過沖和震蕩，會引起開關(guān)損耗的增加，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸸β势骷恼`開關(guān)，因此SiC功率器件對寄生電容和寄生電感更加敏感。

二是SiC功率器件在散熱方面具有更高的要求。SiC器件可以工作在更高的溫度下，在相同功率等級下，其功率模塊較Si功率模塊在體積上大幅降低，因此對散熱的要求就更高。

而且如果工作時(shí)的溫度過高，不但會引起器件性能的下降，還會因?yàn)椴煌庋b材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）失配以及界面處存在的熱應(yīng)力帶來可靠性問題。

所以，當(dāng)大功率的全碳化硅模塊能給應(yīng)用帶來系統(tǒng)提升的同時(shí)，梵易覺的如何把多片并聯(lián)的SiC芯片高性能的封裝到模塊開始成為一個(gè)重要發(fā)展方向，上述的這些典型封裝是否能很好的適應(yīng)于SiC模塊？如何開發(fā)新型SiC模塊的封裝技術(shù)呢？這是留給我們需要去思考的問題。